第二章基本放大电路 本章讨论的问题:1什么是放大?放大电路放大信号与放大镜放大物体意义相 同吗?放大的特征是什么?2为什么晶体管的输入、输出特性说明它有放大作用?如何将 晶体管接入电路才能起到放大作用?组成放大电路的原则是什么?有几种接法?3如 何评价放大电路的性能?有哪些主要指标?4晶体管三种基本放大电路各有什么特点?如 何根据它们的特点组成派生电路? 5如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大电路?它有三种接法吗? 6场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处?在不同的场合下,应如何选用放大电 路? 2.1放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标 2.1.1放大的概念 基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。 放大电路主要用于放大微弱信号,输出电压或电流在幅度上得到了放大,输出信号的 能量得到了加强。 2.输出信号的能量实际上是由直流电源提供的,只是经过三极管的控制,使之转换成信 号能量,提供给负载。放大电路的结构示意图见图。 放大电路 信号源 负载 直流电源 放大概念示意图 2.1.2放大电路的性能指标 (1)放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大,所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言 有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数,它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数 定义式中各有关量如图所示 2一大电路[[R 负载 放大倍数的定义 电压放大倍数定义为
第二章 基本放大电路 本章讨论的问题：1.什么是放大？放大电路放大信号与放大镜放大物体意义 相 同吗？放大的特征是什么？2.为什么晶体管的输入、输出特性说明它有放大作用？ 如何将 晶体管接入电路才能起到放大作用？组成放大 电路的原则是什么？有几种接法？3.如 何评价放大电路的性能？有哪些主要指标？4.晶体管三种基本放大电路各有什么特点？如 何根据它 们的特点组成派生电路？ 5.如何根据放大电路的组成原则利用场效应管构成放大 电路？它有三种接法吗？ 6.场效应管放大电路与晶体管放大电路有哪些不同处？在不同的场合下，应如何选用放大电 路？ 2.1 放大电路的基本概念和放大电路的主要性能指标 2.1.1 放大的概念 基本放大电路一般是指由一个三极管组成的三种基本组态放大电路。 1. 放大电路主要用于放大微弱信号，输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的 能量得到了加强。 2. 输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信 号能量，提供给负载。放大电路的结构示意图见图。 放大概念示意图 2.1.2 放大电路的性能指标 (1) 放大倍数 输出信号的电压和电流幅度得到了放大，所以输出功率也会有所放大。对放大电路而言 有电压放大倍数、电流放大倍数和功率放大倍数，它们通常都是按正弦量定义的。放大倍数 定义式中各有关量如图所示。 放大倍数的定义 电压放大倍数定义为
A=V。/V (03.01) 电流放大倍数定义为 功率放大倍数定义为 A=P。/P=。l。/h (03.03) (2)输入电阻R 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数,R1大,放大电路从信号源吸取 的电流则小,反之则大。R1的定义见图和式(03.04) R=V:/ DA 放大电路 信号源 输入电阻的定义 (3)输出电阻R 输出电阻是表明放大电路带负载的能力,R。大,表明放大电路带负载的能力差,反之 则强。R。的定义见图和式(0305) R=△H/△l。 (03.05) 图(a)是从输出端加假想电源求R,图(b)是通过放大电路负载特性曲线求Ro 2 放大电路 (a)从输出端求V (b)从负载特性曲线求 输出电阻的定义 根据图0304(b),在带R时,测得V。,。,开路时输出为V。根据式(0305)有 R。=△V。/M。=(0-V)/l。=(-V)R1/l (。/V)-1R1 (03.06) 注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数,只有在放 大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义
= / (03.01) . i . o . Av V V 电流放大倍数定义为 = / (03.02) . i . o . A I I i 功率放大倍数定义为 = / / i (03.03) . . i . o . o i o A P P V I V I p = (2) 输入电阻 Ri 输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ri 大，放大电路从信号源吸取 的电流则小，反之则大。Ri 的定义见图和式(03.04) = / (03.04) . i . i i R V I 输入电阻的定义 (3) 输出电阻 Ro 输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ro 大，表明放大电路带负载的能力差，反之 则强。Ro 的定义见图和式(03.05)。 = / (03.05) . o . o o R V I 图(a)是从输出端加假想电源求 Ro，图(b)是通过放大电路负载特性曲线求 Ro。 (a) 从输出端求 Vo ' (b) 从负载特性曲线求 输出电阻的定义 根据图 03.04(b)，在带 RL 时，测得 o o V ,I ，开路时输出为 Vo 。根据式（03.05）有 [( / ) 1] (03.06) / ( )/ ( ) / o o L o o o o o o o o L o V V R R V I V V I V V R V = − = = − = − 注意：放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放 大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义
(4)通频带 放大电路的增益A(f)是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。当A(f) 下降到中频电压放大倍数A0的一=时,即 AG)=)=≈074 相应的频率f称为下限频率,后称为上限频率,如图03.05所示。 0.7A 图03.05通频带的定义 2.2基本共射放大电路的工作原理 221基本共射放大电路的组成及各元件的作用 (1)共射组态基本放大电路 Rc R 图共射组态交流基本放大电路 基本组成如下: 三极管T—一起放大作用。 负载电阻Rc,R—一将变化的集电极电流转换为申压输出 偏置电路cc,R-——使三极管工作在线性区。 耦合电容C1,C2—一输入电容C1保证信号加到发射结,不影响发射结偏置。输出电 容C保证信号输送到负载,不影响集电结偏置 (2)静态和动态 静态—V=0时,放大电路的工作状态,也称直流工作状态
(4) 通频带 放大电路的增益 A(f) 是频率的函数。在低频段和高频段放大倍数通常都要下降。当 A(f) 下降到中频电压放大倍数 A0 的 2 1 时，即 A(fL)=A(fH)= O 0 0.7 2 A A (03.07) 相应的频率 fL 称为下限频率，fH 称为上限频率，如图 03.05 所示。 图 03.05 通频带的定义 2.2 基本共射放大电路的工作原理 2.2.1 基本共射放大电路的组成及各元件的作用 （1）共射组态基本放大电路 图 共射组态交流基本放大电路 基本组成如下： 三 极 管 T——起放大作用。 负载电阻 RC，RL——将变化的集电极电流转换为电压输出。 偏置电路 VCC，Rb——使三极管工作在线性区。 耦合电容 C1，C2——输入电容 C1 保证信号加到发射结，不影响发射结偏置。输出电 容 C2 保证信号输送到负载，不影响集电结偏置。 (2) 静态和动态 静态— vi = 0 时，放大电路的工作状态，也称直流工作状态
动态一v1≠0时,放大电路的工作状态,也称交流工作状态 放大电路建立正确的静态,是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静 态和动态,正确地区分直流通路和交流通路。 222设置表态工作点的必要性 223基本放大电路的工作原理及波形分析 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结,于是有下列过程: 三极管放大作用 变化的L通过R转 变为变化的电压输出 6iiR→vac 224放大电路的组成原则 2.3放大电路的分析方法 231直流通路和交流通路 放大电路的直流通路和交流通路如图中(a),(b)所示。 直流通路,即能通过直流的通路。从C、B、E向外看,有直流负载电阻、R。、R 交流通路,即能通过交流的电路通路。如从C、B、E向外看,有等效的交流负载申阻 R/RA、Rb。 直流电源和耦合电容对交流相当于短路。因为按迭加原理,交流电流流过直流电源时, 没有压降。设C、C足够大,对信号而言,其上的交流压降近似为零,在交流通路中 可将耦合电容短路 v Rc (a)直流通路 (b)交流通路 基本放大电路的直流通路和交流通路 2.3.2图解法
动态— vi 0 时，放大电路的工作状态，也称交流工作状态。 放大电路建立正确的静态，是保证动态工作的前提。分析放大电路必须要正确地区分静 态和动态，正确地区分直流通路和交流通路。 2.2.2 设置表态工作点的必要性 2.2.3 基本放大电路的工作原理及波形分析 放大原理 输入信号通过耦合电容加在三极管的发射结，于是有下列过程： o 2 c c C ) b ( be b c 1 i v c v i i i i R v c v ⎯ ⎯→ → → β → → ⎯⎯⎯→ 2.2.4 放大电路的组成原则 2.3 放大电路的分析方法 2.3.1 直流通路和交流通路 放大电路的直流通路和交流通路如图中（a），（b）所示。 直流通路，即能通过直流的通路。从 C、B、E 向外看，有直流负载电阻、 Rc 、Rb。 交流通路，即能通过交流的电路通路。如从 C、B、E 向外看，有等效的交流负载电阻、 Rc//RL、 Rb。 直流电源和耦合电容对交流相当于短路。因为按迭加原理，交流电流流过直流电源时， 没有压降。设 C1、 C2 足够大，对信号而言，其上的交流压降近似为零，在交流通路中， 可将耦合电容短路。 (a)直流通路 (b)交流通路 基本放大电路的直流通路和交流通路 2.3.2 图解法 三极管放大作用 变化的 C i 通过 Rc 转 变为变化的电压输出
放大电路的静态分析有计算法和图解分析法两种。 (1)静态工作状态的计算分析法 根据直流通路可对放大电路的静态进行计算 /B VCC-VBE (03.08) Ic=BlB VcE=VcC-IcR (03.10) lB、lc和VcE这些量代表的工作状态称为静态工作点,用Q表示。 在测试基本放大电路时,往往测量三个电极对地的电位B、和Vc即可确定三极管的 工作状态 (2)静态工作状态的图解分析法 放大电路静态工作状态的图解分析如图所示 B/吨 VEERy 图放大电路静态工作状态的图解分析 直流负载线的确定方法 由直流负载列出方程式VcE=Vc-lcR 2.在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点—c和Ⅴc/R即可画出直流负载 3.在输入回路列方程式VBE=Vc-lBRb 4.在输入特性曲线上,作出输入负载线,两线的交点即是Q 5.得到Q点的参数/B、lQ和vcEo 例:测量三极管三个电极对地电位如图所示,试判断三极管的工作状态。 三极管工作状态判断 例3.2:用数字电压表测得B=4.5V、咋=3.8V、V=8V,试判断三极管的工作状态 电路如图所示
放大电路的静态分析有计算法和图解分析法两种。 （1）静态工作状态的计算分析法 根据直流通路可对放大电路的静态进行计算 b CC BE B = R V V I − (03.08) IC= IB (03.09) VCE=VCC－ICRc (03.10) IB、IC和 VCE 这些量代表的工作状态称为静态工作点，用 Q 表示。 在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位 VB、VE 和 VC即可确定三极管的 工作状态。 （2）静态工作状态的图解分析法 放大电路静态工作状态的图解分析如图所示。 图 放大电路静态工作状态的图解分析 直流负载线的确定方法： 1. 由直流负载列出方程式 VCE=VCC－ICRc 2. 在输出特性曲线 X 轴及 Y 轴上确定两个特殊点⎯⎯VCC和 VCC/Rc,即可画出直流负载 线。 3. 在输入回路列方程式 VBE =VCC－IBRb 4. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是 Q。 5. 得到 Q 点的参数 IBQ、ICQ 和 VCEQ。 例：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。 三极管工作状态判断 例 3.2：用数字电压表测得 VB =4.5 V 、VE =3.8 V 、VC =8V，试判断三极管的工作状态。 电路如图所示
-O Vcc=12v 电路图 (3)放大电路的动态图解分析 交流负载线 交流负载线确定方法: 1.通过输出特性曲线上的Q点做一条直线,其斜率为l/RL'。 2.RL’=R1∥R,是交流负载电阻 3.交流负载线是有交流输入信号时,工作点Q的运动轨迹。 4.交流负载线与直流负载线相交,通过Q点。 斜率 VcE/V 放大电路的动态工作状态的图解分析 (4)交流工作状态的图解分析 通过图所示动态图解分析,可得出如下结论: 1.n↑→mBE↑→i↑→↑→vcE↓→|-1|↑ 2.vo与n相位相反 3.可以测量出放大电路的电压放大倍数 4.可以确定最大不失真输出幅度 (5)最大不失真输出幅度 ①波形的失真 饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真 截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真
电路图 （3）放大电路的动态图解分析 交流负载线 交流负载线确定方法： 1. 通过输出特性曲线上的 Q 点做一条直线，其斜率为 1/RL’。 2. RL’= RL∥Rc，是交流负载电阻。 3. 交流负载线是有交流输入信号时，工作点 Q 的运动轨迹。 4. 交流负载线与直流负载线相交，通过 Q 点。 放大电路的动态工作状态的图解分析 (4) 交流工作状态的图解分析 通过图所示动态图解分析，可得出如下结论： 1. vi→ vBE→ iB→ iC→ vCE→ |-vo| ； 2. vo 与 vi 相位相反； 3. 可以测量出放大电路的电压放大倍数； 4. 可以确定最大不失真输出幅度。 (5) 最大不失真输出幅度 ① 波形的失真 饱和失真由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。 截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真
(动画3-2) 示波器图形 (a)截止失真 (b)饱和失真 放大器的截止失真和饱和失真(动画3-3) ②放大电路的最大不失真输出幅度 放大电路要想获得大的不失真输出幅度,需要 1.工作点O要设置在输出特性曲线放大区的中间部位: 2.要有合适的交流负载线 画 放大器的最大不失真输出幅度(动画3-4) (6)非线性失真 放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系,不能产生失真。 由于三极管存在非线性,使输出信号产生了非线性失真 非线性失真系数的定义:在某一正弦信号输入下,输出波形因非线性而产生失真,其谐 波分量的总有效值与基波分量之比,用THD表示,即 THD= 100% (7)输出功率和功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率 √2√2 在输出特性曲线上,正好是三角形AABQ的面积,这一三角形称为功率三角形。要想P。大, 就要使功率三角形的面积大,即必须使Vm和lom都要大
（动画 3-2） 示波器图形 (a) 截止失真 (b) 饱和失真 放大器的截止失真和饱和失真（动画 3-3） ② 放大电路的最大不失真输出幅度 放大电路要想获得大的不失真输出幅度，需要： 1. 工作点 Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位； 2. 要有合适的交流负载线。 动画 放大器的最大不失真输出幅度（动画 3-4） (6) 非线性失真 放大器要求输出信号与输入信号之间是线性关系，不能产生失真。 由于三极管存在非线性，使输出信号产生了非线性失真。 非线性失真系数的定义：在某一正弦信号输入下，输出波形因非线性而产生失真，其谐 波分量的总有效值与基波分量之比，用 THD 表示，即 100% 1 2 3 2 2 + + = V V V THD (7) 输出功率和功率三角形 放大电路向电阻性负载提供的输出功率: om om om om o 2 1 2 2 V I V I P = = 在输出特性曲线上，正好是三角形ABQ 的面积，这一三角形称为功率三角形。要想 Po 大， 就要使功率三角形的面积大，即必须使 Vom 和 Iom 都要大
ic/mA A CEQ 功率三角形 2.3.3等效电路法 (1)模型的建立 1.三极管可以用一个模型来代替。 2.对于低频模型可以不考虑结电容的影响 3.小信号意味着三极管在线性条件下工作,微变也具有线性同样的含义 极管的低频小信号模型如图所示 ①令h2b 图双极型三极管h参数模型 (2)模型中的主要参数 ①m一三极管的交流输入电阻 根据二极管的方程式 对于三极管的发射结 ii=les(e BE ≈ b相当基区内的一个点,b才是基极。所以其动态电导为
功率三角形 2.3.3 等效电路法 (1) 模型的建立 1. 三极管可以用一个模型来代替。 2. 对于低频模型可以不考虑结电容的影响。 3. 小信号意味着三极管在线性条件下工作，微变也具有线性同样的含义。 三极管的低频小信号模型如图所示。 图双极型三极管 h 参数模型 （2) 模型中的主要参数 ① rbe——三极管的交流输入电阻 根据二极管的方程式 (e 1) T / = S − v V i I 对于三极管的发射结 BE T BE T / ES / E ES(e 1) e v V v V i = I − I b'相当基区内的一个点，b 才是基极。所以其动态电导为
dir 1 s re=eb≈v/leQ=26 mV/IEQ nelo=nb+(l+B)VI/iE300 Q2+(1+B)26 mV/IEQ 对于小功率三极管mb≈300g,相当于基区的体电阻 ②β——轴输出电流源 表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源CCCS的特性 (3)h参数 三极管的模型也可用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下: vaE=∫(,vc) i c = f(B,vcE) AVBE MB IPcr/ 41 h1=(Av厘/△B)△0,称为输入电阻,即nme h2=(△vm/△vc),称为电压反馈系数 ,称为电流放大系数,即B h2=(△c/△Ta)|0,称为输出电导,即1/ h参数的物理含义见图 CE2 △ △ h和h2的意义 h参数都是小信号参数,即微变参数或交流参数 h参数与工作点有关,在放大区基本不变。 h参数都是微变参数,所以只适合对交流小信号的分析
T E / ES B E T E eb B E T e 1 d 1 d V v i I v V i r V = = reb'≈VT / iE re=reb'Q≈VT /IEQ=26mV/ IEQ rbeQ= rbb' +(1+) VT / iE≈300+(1+)26mV/ IEQ 对于小功率三极管 rbb’ ≈300 ，相当于基区的体电阻。 ② ib——输出电流源 表示三极管的电流放大作用。反映了三极管具有电流控制电流源 CCCS 的特性。 (3) h 参数 三极管的模型也可用网络方程导出。三极管的输入和输出特性曲线如下： ( , ) ( , ) C B CE BE B CE i f i v v f i v = = 0 CE B CE C 0 B CE B C C 0 CE B CE BE 0 B CE B BE BE v v i i i i i v v v i i v v v i v i + = + = = = = = 0 CE 11 BE B ( / ) = = v h v i ，称为输入电阻，即 rbe。 0 B 12 BE CE ( / ) = = i h v v ，称为电压反馈系数。 ，称为电流放大系数，即。 0 B 22 C CE ( / ) = = i h i v ，称为输出电导，即 1 / rce。 h 参数的物理含义见图。 h11和 h12的意义 h参数都是小信号参数，即微变参数或交流参数。 h参数与工作点有关，在放大区基本不变。 h 参数都是微变参数，所以只适合对交流小信号的分析
h1和h2的意义 (4)h参数微变等效电路简化模型 简化的三极管h参数模型,如图所示。图中作了两处忽略 ①h12反映三极管内部的电压反馈,因数值很小,一般可以忽略。 ②h2=l/r具有电导的量纲,与电流源并联时,因分流极小,可作开路处理, Ice 三极管简化h参数模型 共射组态基本放大电路微变等效电路分析法 (1)共射组态基本放大电路 共发射极交流基本放大电路如图所示。 Rb1和Rb2系偏置电阻。 C1是耦合电容,将输入信号v耦合到三极管的基极。 R是集电极负载电阻 R是发射极电阻,C是R的旁路电容。 C2是耦合电容,将集电极的信号耦合到负载电阻RL上 Rb、Rb2、Rε和R处于直流通路中,如图03.20(b)。Rc、R1相并联,处于输出回路的 交流通路之中。 (a)共射基本放大电路(动画3-5)(b)h参数微变等效电路(动画3-6) 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路
h21和 h22 的意义 (4) h 参数微变等效电路简化模型 简化的三极管 h 参数模型，如图所示。图中作了两处忽略 ① h12反映三极管内部的电压反馈，因数值很小，一般可以忽略。 ② h22=1/rce具有电导的量纲，与电流源并联时，因分流极小，可作开路处理。 三极管简化 h 参数模型 共射组态基本放大电路微变等效电路分析法 (1) 共射组态基本放大电路 共发射极交流基本放大电路如图所示。 Rb1 和 Rb2 系偏置电阻。 C1 是耦合电容，将输入信号 vi 耦合到三极管的基极。 Rc是集电极负载电阻。 Re是发射极电阻，Ce是 Re的旁路电容。 C2 是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻 RL 上。 Rb1、Rb2、Rc和 Re处于直流通路中，如图 03.20（b）。RC 、RL 相并联，处于输出回路的 交流通路之中。 (a) 共射基本放大电路（动画 3-5） (b) h 参数微变等效电路（动画 3-6） 共射组态交流基本放大电路及其微变等效电路